Das Grid Storage Launchpad von PNNL liefert schon heute die Energiespeicherlösungen von morgen
In einer dekarbonisierten, elektrifizierten Zukunft werden Batterien der nächsten Generation die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes verbessern und gleichzeitig eine stärkere Integration erneuerbarer Energien ermöglichen. Diese Batterien können auch während oder nach Naturkatastrophen wie Eisstürmen, extremen Hitzewellen, Hurrikanen und mehr Notstrom liefern.
Eine neue Einrichtung namens Grid Storage Launchpad (GSL) öffnet sich am Pacific Northwest National Laboratory–Richland (PNNL) Campus im Jahr 2024 und wird vom Office of Electricity des Department of Energy (DOE) finanziert. GSL wird dazu beitragen, die Entwicklung zukünftiger Batterietechnologie mit erhöhter Zuverlässigkeit und geringeren Kosten zu beschleunigen. Die Forschung in der neuen Einrichtung wird die Bemühungen der PNNL-Experten auf der anderen Straßenseite ergänzen Betriebszentrum für StrominfrastrukturHier wird geforscht, um die Widerstandsfähigkeit des riesigen Stromnetzes des Landes zu verbessern.
„GSL wird es uns ermöglichen, neue Technologien von der Entwicklung grundlegender Materialien bis hin zum Testen von 100-Kilowatt-Systemen unter realen Bedingungen zu nutzen“, sagte Vince Sprenkle, Berater bei PNNL, der die Energiespeicherforschungsbemühungen des PNNL leitet. „Energiespeicherung ist erforderlich, um die Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit in einem dekarbonisierten Energiesystem zu verbessern, und GSL wird uns dorthin bringen.“
PNNL-Forscher testen bereits neue Batterietechnologien, erstellen Modelle zur Untersuchung neuer Materialien für eine effizientere und länger anhaltende Speicherung und entwickeln Strategien, damit neue Energiespeichersysteme sicher eingesetzt werden können.
Batterietechnologie testen und validieren
Im Labor für BatteriezuverlässigkeitstestsDer Materialwissenschaftler David Reed leitet ein Team, das verschiedene Batterietechnologien testet, mit denen Energie im Netz gespeichert werden könnte. Für die Netzspeicherung benötigen Gemeinden große Batterien, die viele Stunden Strom speichern können und über viele Jahre hinweg betriebsbereit sein müssen. Reeds Team konzentriert sich auf Technologien wie Natrium-Ionen- oder Durchflussbatterien und testet sie unter realistischen Bedingungen, um festzustellen, ob sie den Anforderungen der realen Welt entsprechen.
„Wir testen jede Batterie unter unterschiedlichen Energiebedarfsbedingungen“, sagte Reed. „Nachdem die Tests abgeschlossen sind, gehen wir hinein, analysieren die Batterie und stellen Fragen wie: Warum hat sich diese Batterie in diesem oder jenem Zyklus verschlechtert und was können wir tun, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern?“
Obwohl Lithium-Ionen seit langem ein Favorit sind, untersuchen PNNL-Forscher verschiedene Arten von Materialien wie Natrium-Ionen, Nickel-Eisen oder Blei-Säure, die skaliert werden könnten, um länger kosteneffizient Strom bereitzustellen Zeiträume für das Raster – ein Konzept, das als bekannt ist Langzeitspeicherung von Energie. Das Testen dieser neuen Technologien trägt zur Optimierung der Leistung bei, was für die Kommerzialisierung und letztendliche öffentliche Akzeptanz von entscheidender Bedeutung ist.
Am GSL können Forscher die Anzahl der durchgeführten Tests und die Größe der testbaren Batterie erhöhen. Diese erweiterten Funktionen werden auch DOEs direkt unterstützen Langzeitspeicher EarthshotZiel ist es, innerhalb des nächsten Jahrzehnts mehr als 10 Stunden Speicher zu 90 Prozent der heutigen Kosten bereitzustellen.
Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, um die Technologie voranzutreiben
Es ist nicht nur die Anzahl der einzelnen Materialien, die getestet werden müssen. In manchen Fällen kann die Struktur eines Moleküls sein Verhalten beeinflussen, daher müssen Wissenschaftler auch verschiedene Strukturen von Molekülen testen, um ihre Wirksamkeit als Speichermaterialien zu verstehen.
PNNL untersucht beispielsweise eine neuartige Batterietechnologie namens Organic-Flow, bei der in einem flüssigen Elektrolyten gelöste organische Moleküle zum Einsatz kommen. Für ein Flow-Batterie Um zu funktionieren, müssen die Moleküle, die Elektronen verschieben, löslich sein, damit sie sich in der Flüssigkeit auflösen können. Aber die Löslichkeit sei ein schwer zu untersuchendes Merkmal, sagte er Wei Wang, Materialwissenschaftler am PNNL. Daher müssen Forscher viele verschiedene Moleküle und ihre Löslichkeit testen, um herauszufinden, welches in einer Durchflussbatterie am besten funktioniert.
Darüber hinaus können mehrere organische Moleküle die gleiche Kernstruktur haben, an die jedoch unterschiedliche Untergruppen von Atomen gebunden sind. „Für jedes Molekül gibt es möglicherweise Tausende verschiedener Variationen. Woher wissen Sie, mit wem Sie arbeiten sollten? Das Ausmaß des Problems ist astronomisch“, sagte Wang.
Die Untersuchung jedes Moleküls und seiner vielen verschiedenen Variationen ist kostspielig und zeitaufwändig. Daher arbeiten PNNL-Forscher an einer Lösung namens „Digital Twin Battery“ – einem maschinellen Lernmodell, das das Verhalten einer Batterie simulieren kann, damit Forscher digitale Versionen der Moleküle einbinden können zu testen. Mit einem digitalen Modell, das künstliche Intelligenz nutzt, können Wissenschaftler die Eigenschaften eines bestimmten organischen Moleküls (und jeder seiner Variationen) schneller und zu geringeren Kosten testen. GSL wird es Forschern ermöglichen, verschiedene Materialien in größeren Batterien zu untersuchen und Wang und seinem Team die Datenberge zur Verfügung zu stellen, die für die Erstellung des digitalen Zwillingsmodells der Batterie erforderlich sind.
Sicherheit zuerst
Bei jeder neuen Technologie müssen Forscher potenzielle Sicherheitsrisiken vorhersehen und sich darauf vorbereiten. Große Energiespeichersysteme, die das Netz unterstützen, bergen ihre eigenen Risiken. Daher unterstützt PNNL die Entwicklung eines einzigartigen Satzes von Sicherheitsstandards, um Hersteller bei der Entwicklung und Installation sicherer Systeme zu unterstützen. Das GSL-Gebäude wird beispielsweise mit Sicherheitseinrichtungen ausgestattet, um Forscher und Labor bei Ausfall eines großen Energiespeichersystems zu schützen.
PNNL engagiert sich auch für die Sicherheit der Gemeinden, die diese Technologie nutzen.
Energiespeichersysteme bestehen aus „einer Reihe von Batterien, die zusammen mit einem Batteriemanagementsystem, einer Art thermischer Steuerung wie einer Klimaanlage, Kommunikationskomponenten, Konvertern, die den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, und vielem mehr“ zusammengesetzt sind, sagte der PNNL-Berater Matthew Paiss. Diese Komplexität bietet ein gewisses Maß an Sicherheit, aber aufgrund derselben Komplexität „macht das Ausfallrisiko den Vorfall zu einem potenziell schwerwiegenderen Vorfall“, fuhr er fort.
Paiss ist ein ehemaliger Feuerwehrmann, der sich auf die Sicherheit von Energiesystemen spezialisiert hat. Er reist durch das Land, um Batterieherstellern, Stadtführern und Feuerwehrteams beizubringen, wie man Notfälle wie Batteriebrände am besten bewältigt. GSL wird eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Kursen zur Sicherheit von Energiespeichern spielen, die sich an lokale Interessenvertreter wie Feuerwehrleute, Retter und andere Ersthelfer richten.
„Wir stehen erst an der Spitze des Eisbergs und sehen, welche Möglichkeiten wir bieten können. Wir möchten Menschen zu GSL bringen und ihnen dabei helfen, sich über alle Aspekte der Batterielebensdauer aufzuklären, unabhängig davon, ob sie Batterien herstellen oder nicht“, sagte Paiss.
Die Zukunft der Energiespeicherung
Bei GSL können Forscher wie Reed und Wang und Sicherheitsberater wie Paiss zusammenarbeiten, um neue Batterietechnologien zu verstehen, um eine dekarbonisierte Zukunft zu beschleunigen. Die neue Anlage wird auch dazu beitragen, die Zusammenarbeit mit Industriepartnern zu fördern, die an Herausforderungen im Zusammenhang mit der Langzeitenergiespeicherung arbeiten.
„Manche Probleme mit Batterien treten erst auf, wenn man eine bestimmte Größe erreicht, etwa die Größe, die ein Energiespeichersystem zur Unterstützung des Stromnetzes benötigt“, sagte Sprenkle. „Um langfristige Herausforderungen bei der Energiespeicherung zu lösen, müssen wir alle Beteiligten auf einen Nenner bringen. GSL wird ein zentraler Punkt für diese Kooperationen sein.“
Mit freundlicher Genehmigung von Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
Ausgewähltes Foto von Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory.
Ich mag keine Paywalls. Du magst keine Paywalls. Wer mag Paywalls? Hier bei CleanTechnica haben wir eine Zeit lang eine begrenzte Paywall eingeführt, aber es fühlte sich immer falsch an – und es war immer schwer zu entscheiden, was wir dahinter platzieren sollten. Theoretisch bleiben Ihre exklusivsten und besten Inhalte hinter einer Paywall. Aber dann lesen es weniger Leute! Wir mögen Paywalls einfach nicht und haben daher beschlossen, unsere aufzugeben.
Leider ist das Mediengeschäft immer noch ein hartes, mörderisches Geschäft mit geringen Margen. Es ist eine nie endende olympische Herausforderung, über Wasser zu bleiben oder vielleicht sogar – keuchen – wachsen. Also …